?500 mm阵列透镜波前采样器的研制

设计加工了一个由484块单透镜组成的大口径阵列透镜,并设计了一套光束波前采样及测量实验系统。在实验过程中,合理匹配了阵列透镜波前采样器、CCD、成像屏和图像采集处理各系统参数,并讨论了该系统的动态范围和采样精度。利用平行光标定了该系统,且测量了大口径波前的像差,测量值与理论值相吻合。实验证明了阵列透镜波前采样器用于波前采样的技术可行性。     

Ø500 mm阵列透镜波前采样器的研制

 设计加工了一个由484块单透镜组成的大口径阵列透镜,并设计了一套光束波前采样及测量实验系统。在实验过程中,合理匹配了阵列透镜波前采样器、CCD、成像屏和图像采集处理各系统参数,并讨论了该系统的动态范围和采样精度。利用平行光标定了该系统,且测量了大口径波前的像差,测量值与理论值相吻合。实验证明了阵列透镜波前采样器用于波前采样的技术可行性。     

φ500mm阵列透镜波前采样器的研制

设计加工了一个由484块单透镜组成的大口径阵列透镜,并设计了一套光束波前采样及测量实验系统.在实验过程中,合理匹配了阵列透镜波前采样器、CCD、成像屏和图像采集处理各系统参数,并讨论了该系统的动态范围和采样精度.利用平行光标定了该系统,且测量了大口径波前的像差,测量值与理论值相吻合.实验证明了阵列透镜波前采样器用于波前采样的技术可行性.     

大口径激光波前测量方法

采用大型透镜阵列对激光波前进行采样，实现了对宽光束的测量。大口径激光束经过大型透镜阵列进行采样形成光斑点阵，通过成像系统，获取点阵图像，得到激光束波前信息，根据激光传输理论和光学系统像差理论，已知激光束的波前函数和强度分布时，可以求出激光束会聚后在焦面处任意位置的光强，因此激光束的波前、发散角、近场分布、远场分布等参数能够通过测量求解得到。     

随机位相菲涅耳透镜阵列激光束匀化

为降低干涉带来的影响,将一种随机位相分布引入菲涅耳透镜阵列,对阵列中每一个菲涅耳透镜施加0或π的二值化位相变化,打乱阵列位相的周期性排布,减少微透镜后多光束在匀化面干涉带来的影响.通过数值计算对激光束的匀化过程进行了模拟,设计的菲涅耳透镜口径为0.5 mm,焦距为6mm,阵列数目为20×20,光斑整体均匀度达到90%,光束能量利用率达到96%.利用设计和制备的16台阶随机位相型菲涅耳透镜阵列对1 064nm波长的激光光束进行匀化,均匀度为83%,光束能量利用率为89%.研究结果表明,通过引入随机位相可有效减少干涉带来的影响,提高微透镜阵列对单模高斯光束的匀束效果.     

基于Shark-Hartmann理论的波前探测技术研究

精确的波前探测是反射镜面型检测及光束波前畸变测量的重要依据,论文根据Shark-Hartmann理论对波前探测技术进行了模拟和实验研究。将平行光经过球面透镜/柱面透镜后形成的球面波/柱面波作为探测波前。实验采用商用的微透镜阵列和CCD搭建Shark-Hartmann传感器,利用实际光束作为参考光,避免了参考光的不准直性对实验的影响。模拟计算结果表明平均曲率误差为13.423 mm,实验结果实现了对球面/柱面/倾斜波的探测及复原。     

基于微透镜阵列的电子内窥镜光学系统设计

为了满足现代医疗领域中对内窥镜小型化、大视场的需求,采用反远距光学结构作为初始结构,利用Zemax光学设计软件在原有结构中加入5×5微透镜阵列,得到了一种工作于可见光波段、全视场为110°、焦距为1.55mm、F数为4.2、最大通光口径为3.15mm、系统总长为7.99mm的高清电子内窥镜物镜光学系统。该系统由6片透镜组成,以光阑面为界分为前组和后组,其中前组包括一片前后两面均为阵列面的镜片,后组包含一组双胶合透镜。整个系统的光学调制传递函数在120lp/mm处达到0.36,接近衍射极限,满足医疗使用的要求。设计结果表明,微透镜阵列在不改变口径的条件下对增大内窥镜光学系统视场有明显优势,在医疗领域具有广阔的应用前景。     

基于透镜阵列的三维姿态角度测量

三维姿态角的精确测量在航空、航天、国防等领域应用广泛,为方便准确地实现三维姿态角的测量,本文设计了一种基于透镜阵列的测量系统,并建立了微小三维姿态角测量分析模型。系统中,准直平行光束通过4个排列成金字塔形的阵列透镜,在CCD上形成规则分布的阵列光斑。通过分析CCD成像光斑间的距离、透镜阵列上相邻孔径之间的距离以及透镜阵列与CCD之间的倾斜角,可以得到光束相对于接收系统俯仰角和偏摆角,利用阵列光斑连线相对水平或垂直面的夹角,可同时得到绕Z轴的滚转角。通过与高精度自准直仪测量结果进行比较,证明所提方法的测量精度可以达到RMS≤0.1″,表明该方法能够实现三维姿态角的测量。     

层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差

以层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差为研究目标,基于非旋转对称光学系统的矢量波像差理论,建立了层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态波像差理论模型,提出一种可用于系统波像差计算的适用性方法。同时,将动态波像差模型应用于两片式微透镜阵列扫描结构的像差分析中,分析了多扫描视场下的初级波像差以及均方根（RMS）波前差,并计算了不同扫描视场下的初级波像差值在光学表面上的分布。所得研究结果对层叠微透镜阵列扫描成像系统的设计优化与装调实验具有理论指导和工程化意义。     

微透镜阵列误差对半导体激光匀化性能的影响

为了减小微透镜阵列误差对匀化光斑的影响,深入研究微透镜阵列光束匀化系统中微透镜阵列相对位置误差对光束匀化性能的影响,设计了一种微透镜阵列光束匀化系统。依据相对位置误差类型的不同,将双列微透镜阵列间六个自由度变化导致的误差分为距离误差、偏移误差以及转动误差进行分析,并对每种误差对光束匀化性能的影响进行了研究。采用6板条半导体激光器堆栈对上述匀化系统进行实验验证,实现了均匀性为90.75%的光斑,并对系统影响光斑性能的原因进行了分析。     

衍射极限非球面准直透镜

介绍了一种新的非球面透镜设计方法。通过非球面方程中二次曲面常数和非球面系数对光学系统像差的贡献来设计非球面透镜,并详细分析了非球面设计过程。设计了数值孔径NA=0.37, 纤芯Φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光器的非球面准直透镜,其焦距f=50mm。从像质评定可以看出, 非球面准直镜几乎接近衍射极限, 整个系统的波像差小于0.3λ。实验表明： 采用非球面准直系统能最大限度地利用光能率和提高光束准直性, 证明了设计方法基本正确。     

“宋”望远镜夏克哈特曼光学系统设计

根据中国宋标准节点望远镜系统要求,设计了用于望远镜波前误差测量的夏克哈特曼（S-H）传感器光学系统。从望远镜衍射极限成像和观测星等要求出发,对S-H的采样点数选取和波面重建精度进行分析计算,根据所选微透镜阵列和宋望远镜光学参数进行S-H准直镜的消像差设计,采用两组双胶合透镜实现了480 nm~680 nm波长范围的系统衍射极限成像。设计的系统能够实现6等星的目标测量,测量精度0.05。根据设计结果搭建了实验系统,对主镜初始状态和校正之后的波前误差进行了测量,并将S-H测量结果与4D干涉仪测量结果进行了比较。实验结果表明:所设计S-H系统测量精度0.008 m（RMS）,能够满足宋望远镜的技术要求。     

基于填充因子的微透镜阵列扫描光学系统性能分析

针对通过微透镜阵列通光孔径的光束在不同条件下的填充问题,利用填充因子来表征微透镜阵列系统光瞳位置处光束的填充率,并分析其对系统探测距离、点扩散函数和光学传递函数的影响。基于近轴光学模型,构建了快速计算微透镜阵列扫描光学系统填充因子的数学模型,并提出一种系统设计方法。利用该方法设计了微透镜阵列扫描光学系统,所设计系统的实验结果与理论计算结果吻合,表明该系统的性能良好。     

透镜自重变形引起波像差的有限元分析

在用大口径、长焦距平行光管模拟激光远场特性时,其光组透镜在重力作用下的变形不能忽略,为了分析对出射光束质量的影响,采用有限元分析软件“ANSYS”建立了平行光管光组中声400mm平凸透镜的有限元模型,给出一种分析透镜轴向变形引起的波像差的方法,在不同工况下,计算了平凸透镜在重力作用下轴向变形的峰谷值和均方根值,对轴向变形量均方根值最小工况画出了透镜表面变形的等值线图,计算了声350mm通光口径内的波像差峰谷值和均方根值,对平行光管光组的波像差做出估计,验证了设计的合理性。     

微透镜阵列光学相控阵扫描技术研究进展

光学相控阵光束扫描技术在激光雷达、空间光通信和光开关等领域拥有巨大的应用潜力。微透镜阵列光学相控阵可以通过微透镜阵列间μm量级的相对位移同时对多个出射光束的二维倾斜相位进行调制,从而实现大角度二维光束扫描,具有出射口径大、结构简单、体积小、微惯性、多功能等优点。首先介绍了微透镜阵列光学相控阵的扫描原理,之后对微透镜阵列光学相控阵国内外的发展现状、应用和现阶段存在的问题进行了阐述,最后对微透镜阵列光学相控阵的发展趋势进行了展望。     

基于已知球面波前的Hartmann-Shack传感器结构参量标定

微透镜阵列到CCD的距离是影响Hartmann-Shack波前探测器精度的主要装配误差之一。对该平移装配误差的修正,能够有效减小波前探测误差。理论求解了球面波前通过微透镜引起的子孔径光斑质心移动量与波前探测器结构参数之间的关系,借助该关系能够求出微透镜到CCD之间的实际距离,以其改进波前斜率的计算。实验验证了理论推导的合理性,并对实际装配参数进行标定,得实际距离为24.2 mm。利用标定后的参数重建波前,其相对误差减小20.4%。实验表明该标定方法能够有效提高波前传感器测量准确性。     

菲索式合成孔径望远镜光学系统设计

设计了菲索式合成孔径望远镜光学系统,用3个小口径子孔径合成大口径以获得等效大口径的分辨率。首先,兼顾空间频率u-v覆盖和结构简单化,选择子孔径排列方式为Golay-3阵列,填充因子F=0.44。然后,依据光学系统结构特性,将光学系统分成子孔径、光束控制器和光束组合器,分别进行光学设计。无焦式子孔径采用后接双胶合消色差透镜的卡塞格林结构,孔径为300 mm,视场为0.2°,角放大率为10。光束组合器为五片式结构,采用高折射率玻璃和特殊部分色散玻璃,焦距为600 mm,F/#=6,视场为2°。分析总系统点扩散函数和调制传递函数显示：总系统等效口径为子孔径口径的1.89倍,总系统角分辨率为0.24″。     

头盔显示器中折射/衍射塑料光学系统设计

研究了塑料透镜在头盔系统中的应用,设计了全塑料(聚甲基丙烯酸甲脂-PMMA)头盔光学系统.引入衍射面,利用其负色散性和波面任意整形特性消除系统色差及改善波前像差.图像源发出的光束在分束器附近成中间像,可增大系统视场;出瞳在中继透镜组中间成像,可减小系统口径,增大出瞳直径.该系统镜头部分重量仅为6 g,目视系统中需重点校正的像散和垂轴色差的最大值分别为0.44 mm和20 μm,最大畸变为2.5%;系统最小角分辨率为0.9 mrad,视场为40°(H)×30°(V).     

“宋”望远镜夏克哈特曼光学系统设计

 根据中国“宋”标准节点望远镜系统要求,设计了用于望远镜波前误差测量的夏克哈特曼（S-H）传感器光学系统。从望远镜衍射极限成像和观测星等要求出发,对S-H的采样点数选取和波面重建精度进行分析计算,根据所选微透镜阵列和“宋”望远镜光学参数进行S-H准直镜的消像差设计,采用两组双胶合透镜实现了480 nm~680 nm波长范围的系统衍射极限成像。设计的系统能够实现6等星的目标测量,测量精度0.05"。根据设计结果搭建了实验系统,对主镜初始状态和校正之后的波前误差进行了测量,并将S-H测量结果与4D干涉仪测量结果进行了比较。实验结果表明：所设计S-H系统测量精度0.008 μm（RMS）,能够满足“宋”望远镜的技术要求。     

基于伞状反射膜的空心光束尺寸连续控制研究

为了提高空心光束的可操作性和实用性,设计了一种由圆锥透镜和伞状反射膜组合的光学系统.通过对光学系统中伞状反射膜前端面口径进行调节,方便简洁地实现了空心光束尺寸的连续控制;通过几何光学理论推导,建立了伞状反射膜的尺寸、空心圆环的内外径与各个参数间的数学模型,并给出了在其他参数保持不变时,伞状反射前端面口径与空心圆环尺寸内外径的独立变化关系曲线;在此基础上,利用Zemax软件进行了实验仿真,能清楚地看到空心光束的形成及在固定位置处光学接收屏上空心圆环尺寸在0~166mm的变化过程,模拟仿真结果与理论计算相吻合.